《过程设备设计》课件-5.储运设备

《过程设备设计》储运设备目录5.3卧式储罐设计5.4

移动式压力容器5.2储罐的结构5.1概述概述1储运设备主要是指用于储存与运输气体、液体、液化气体等介质的设备。大多数储运设备的主体是压力容器。在固定位置使用、以介质储存为目的的容器称为储罐，如加氢站用高压氢气储罐、液化石油气储罐、战略石油储罐、LNG接收站用液化天然气储罐等；没有固定使用位置、以介质运输为目的的压力容器称为移动式压力容器，如汽车罐车、铁路罐车及罐式集装箱上的罐体。5.1概述（1）按几何形状分为——卧式圆柱形储罐、立式平底筒形储罐、球形储罐；（2）按温度划分为低温储罐、常温储罐(＜90℃）和高温储罐(90～250℃)；（3）按所处的位置可分为地面储罐、地下储罐、半地下储罐和海上储罐等；（4）按材料又可划分为非金属储罐、金属储罐和复合材料储罐。储存设备的分类储存设备有多种分类方法:储存介质的性质燃爆性饱和蒸气压密度毒性程度(中度、高度、极度)腐蚀性化学反应特性（如聚合趋势）场地条件环境温度风载荷地震载荷雪载荷地基条件储存介质的性质，是选择储罐结构形式与储存系统的一个重要因素。在设计中还必须考虑场地的条件：环境温度、风载荷、地震载荷、雪载荷、地基条件等。影响储罐安全的因素

饱和蒸气压——在一定温度下，储存在密闭容器中的液化气体达到气液两相平衡时，气液分界面上的蒸气压力。饱和蒸气压与储存设备的容积大小无关，仅依赖于温度的变化，随温度的升高而增大。对于混合储存介质，饱和蒸气压还与各组分的混合比例有关。

储存介质的性质

储存介质的密度，将直接影响罐体载荷分布及其应力大小。

介质的腐蚀性是选择罐体材料的首要依据，将直接影响制造工艺和设备造价。

介质的毒性程度则直接影响储罐制造与管理的等级以及安全附件的配置，如压力容器的分类管理等级与介质的毒性程度直接相关。

储存介质的性质当储存设备用于盛装液化气体时，还应考虑液化气体的膨胀性和压缩性。液化气体的体积会随温度的上升而膨胀，温度的降低而收缩。当储罐装满液态液化气体时，如果温度升高，罐内压力也会升高。以液化石油气储罐为例，在满液的情况下，温度每升高1℃，储罐压力就会上升0.876～1.875MPa；而在正常情况下，液化石油气的饱和蒸汽压每升温1℃，表压上升约为0.0294MPa。装量系数（1）使用过程中，必须严格控制液化气体储罐的储存量。液化气体储罐的设计储存量应符合下式规定：Φ为装量系数，一般取0.9，对储罐容积经实际测定者，可取大于0.9，但不得大于0.95。

装量系数（2）气体当中，约有54.1%是可燃气体，有61%的气体具有火灾危险。可燃气体与空气混合达到爆炸极限时，遇明火便可发生爆炸。丙烷、丁烷和丁烯的爆炸极限分别为2.17％～9.5％，1.15％～8.4％，1.7％～9.6％。而乙炔爆炸极限为2.55％～80％。与乙炔相比，液化石油气的爆炸极限范围都比较窄，要安全得多。气体的燃爆性对于液化气体储罐，储罐的金属温度主要受使用环境的气温条件影响，其最低设计温度可按该地区气象资料，取历年来月平均最低气温的最低值。月平均最低气温是指当月各天的最低气温值相加后除以当月的天数。随着环境温度的升降，液化气体饱和蒸汽压也呈现出上升或下降的趋势，因而其储罐的设计压力主要由可能达到的最高工作温度下液化气体的饱和蒸气压决定。环境对储存设备的影响设计压力——指容器顶部的最高表压力，其值应不低于工作压力。盛装液化气体的固定式压力容器，按下表取工作压力。液化气体临界温度规定温度下的工作压力/MPa无保冷设施有可靠保冷设施无试验实测温度有试验实测最高工作温度且能保证低于临界温度≥50℃50℃饱和蒸气压力可能达到的最高工作温度下的饱和蒸气压力＜50℃设计所规定的最大充装量下50℃的气体压力试验实测最高工作温度下的饱和蒸气压力液化气体储罐的设计参数常温下盛装液化石油气的固定式压力容器工作压力，按下表取值。混合液化石油气50℃饱和蒸气压力/MPa规定温度下的工作压力/MPa无保冷设施有可靠保冷设施≤异丁烷50℃饱和蒸气压力等于50℃异丁烷的饱和蒸气压力可能达到的最高工作温度下异丁烷的饱和蒸气压力＞异丁烷50℃饱和蒸气压力≤丙烷50℃饱和蒸气压力等于50℃丙烷的饱和蒸气压力可能达到的最高工作温度下丙烷的饱和蒸气压力＞丙烷50℃饱和蒸气压力℃等于50℃丙烯的饱和蒸气压力可能达到的最高工作温度下丙烯的饱和蒸气压力液化石油气储罐的设计压力设计温度——容器在正常工作情况下,设定的元件的金属温度(沿元件金属截面的温度平均值)，其值不得低于金属元件可能达到的最高金属温度。一般无保冷设施时，液化气体储罐通常取最高设计温度为50℃；若储罐安装在天气炎热的南方地区，则在夏季中午时分必须对储罐进行喷淋冷却降温，以防止储罐金属壁温超过50℃。随着温度的降低，液化气体的饱和蒸汽压呈下降趋势，故液化气体储罐满足低温低应力工况。液化气体储罐的设计参数低温容器之界限——我国的低温容器界限一直人为地定义为-20℃(即设计温度＜-20℃的容器为低温容器)，其基础是以钢材U形缺口冲击试样的统计数据为依据。●1982年以后，钢材的韧性试验改用V形缺口冲击试样作为技术指标，两者相差很大，并波及到我国低温压力容器的界限问题。按现代压力容器的设计理念，一台特定的压力容器是否属于低温压力容器的范畴，应根据以下几个因素确定：(1)压力容器所用材料的低温力学性能；(2)压力容器材料的热处理状态；(3)材料的厚度；(4)容器材料中的应力状态(实际应力与许用应力相比)。低温容器GB150.3-2011附录E“关于低温压力容器的基本要求”中将低温压力容器界限定义如下：（1）碳素钢和低合金钢制压力容器的设计温度低于-20℃；（2）奥氏体不锈钢型钢材制压力容器的设计温度低于-196℃低温容器之界限定义：系指壳体或其受压元件的设计温度虽然低于-20℃，但设计应力小于或等于钢材标准常温屈服强度的六分之一，且不大于50MPa时的工况，称“低温低应力工况”。

作用：当容器在“低温低应力工况”下运行，可将其设计温度提高50℃(对于不要求焊后热处理的容器，加40℃)。若设计温度调整后不低于-20℃的，则不必遵循低温压力容器的有关规定；若设计温度调整后低于-20℃时，按调整后的设计温度执行低温压力容器的有关规定，钢材的冲击试验温度也低于或等于调整后的设计温度。低温低应力工况不适用：①Q235系列钢板；②不适用于钢板抗拉强度下限值Rm≥540MPa的材料；③不适用于螺栓材料。

低温低应力工况储罐的结构2卧式圆柱形储罐简称卧式储罐或卧罐，可分为地面卧式储罐与地下卧式储罐。（1）地面卧式储罐——典型的卧式压力容器因受运输条件等限制，这类储罐的容积一般在100m3以下，最大不超过150m3；若是现场组焊，其容积可更大一些。5.2.1卧式圆柱形储罐5.2储罐的结构液化石油气储罐地面卧式储罐卧式双鞍座储罐地面卧式储罐主要用于储存汽油、液化石油气等液化气体。将储罐埋于地下，既可以减少占地面积，缩短安全防火间距，也可以避开环境温度对储罐的影响，维持地下储罐内介质压力的基本稳定。地下卧式储罐与地面卧式储罐的形状极为相似，所不同的是管口的开设位置——集中布置，即设置在一个或几个人孔盖板上。卧式圆柱形储罐（2）地下卧式储罐地下丙烷储罐地下卧式储罐地下液化石油气储罐地下卧式储罐大型埋地储罐(南京大化机)Ф7300×21×74300，重650t，SA537CL2地下卧式储罐这类储罐属于大型仓储式常压或低压储存设备，主要用于储存压力不大于0.1MPa的消防水、石油、汽油等常温条件下饱和蒸气压较低的物料。立式平底筒形储罐按其罐顶结构可分为固定顶储罐和浮顶储罐两大类。5.2.2立式平底筒形储罐5.2储罐的结构固定顶储罐按罐顶的形式可分为锥顶储罐、拱顶储罐、伞形顶储罐和网壳顶储罐。立式平底筒形储罐（1）固定顶储罐锥顶储罐可分为自支撑锥顶和支撑锥顶两种——国内应用较少。自支撑锥顶储罐容量一般小于1000m3；支撑式锥顶其锥顶荷载主要靠梁或檀条(桁架)及柱来承担，其储罐容量可大于1000m3。锥顶储罐拱顶储罐的罐顶类似于球冠形封头，可承受较高的饱和蒸气压，蒸发损耗较少——国内外应用较多。国内最大容积为3万方，国外可达到5万方。拱顶储罐球面网壳顶的主体结构是一个与罐壁相连并置于罐顶钢板内单层球面网壳（即网格），类似于近代大型体育馆屋顶的网架结构。国内最大容积为6万方，国外已达到12～15万方。拱顶网壳储罐

浮顶罐可分为外浮顶储罐和内浮顶储罐（带盖浮顶罐）。立式平底筒形储罐（2）浮顶储罐这种罐的浮动顶(简称浮顶)漂浮在储液面上。浮顶随着储液上下浮动，浮顶与罐壁之间的环形空间内装有密封元件。浮顶的形式有单盘式、双盘式。主要用于储存原油。外浮顶储罐外浮顶储油罐外浮顶储罐15万方石油储罐建设现场罐外浮顶储罐外浮顶储油罐浮顶上部照片外浮顶储罐镇海国家战略石油储罐库外浮顶储罐内浮顶储罐内浮顶罐是在固定罐的内部再加上一个浮动顶盖。与外浮顶储罐相比，内浮顶储罐可大量减少储液的蒸发损耗。适用于储存高级汽油和喷气燃料以及有毒易污染的液体化学品。球形储罐简称球罐，主要用于储存液化石油气、液化天然气、液氧、液氮、氧气、氮气、城市煤气等带压物料。球罐特点：与常用的圆筒形储罐相比，球罐具有以下特点:（1）球罐的表面积最小;（2）球罐壳板承载能力比圆筒形储罐大一倍，即在同直径、同压力下，采用同样钢板时，球罐的板厚只需圆筒形储罐板厚的一半多点。（3）球罐占地面积小。5.2.3球形储罐5.2储罐的结构球罐区建造中的球罐球罐球罐分类（1）常温球罐：如LPG、液氨、煤气、氮气等球罐。这类球罐压力较高，且主要取决于液化气体的饱和蒸气压或压缩机的出口压力

（2）低温球罐：这类球罐的设计温度低于－20℃，但不低于－100℃，压力属于中等。（3）深冷球罐：设计温度在－100℃以下，往往在介质液化点以下储存，压力不高，有时为常压。由于对保冷要求高，常采用双层球壳。球罐球壳类型之一橘瓣式——球壳全部按桔瓣瓣片的形状进行分割成型并组焊。特点：球壳的拼装焊缝规则，便于布置支柱，焊接接头受力均匀，施工组装较简便。不足之处：因各带位置不一，球壳板尺寸规格多，只能在本带或上下对称带之间互换，原材料利用率低，焊缝较长且不易错开。适用范围：各种容量的球罐，应用较多球罐橘瓣式球罐球壳类型之二足球瓣式——球壳划分与足球一样，所有的球壳板片大小相同。特点：下料成型规格化，材料利用率高，互换性好，拼装焊缝长度短，相应的检验工作量亦小。不足之处：球壳板交接处有Y型焊缝，焊缝布局复杂，施工组装困难，对球壳板的制造精度要求高。适用范围：容积小于120m3的球罐。球罐足球瓣式球罐球壳类型之三混合式球壳——赤道带和温带（即极板）采用足球瓣式外，其余均采用橘瓣式球壳。特点：兼备橘瓣式和足球式两者的特点，相对于橘瓣式，其材料利用率较高，焊缝长度有所缩短，球壳板数量减少。易于布置人孔，应力分布均匀。不足之处：因具有两种型式的球壳板，组装校正较麻烦，仍有Y型接缝，制造精度要求高。适用范围：特别适合大型球罐。球罐混合式球罐球壳类型比较以1000m3丙烯球罐为例，一台是橘瓣式结构，另一台是混合式结构。按设计图样，橘瓣式结构球壳分带数5，支柱8根，分54块，焊缝总长320m。而混合式结构，球壳分带数3，支柱8根，分28块，焊缝总长270m比较发现：采用混合式结构，球壳块数大大减少，焊缝总长较橘瓣式缩短了15.6%。球罐支座分类支柱结构支柱底板端板柱式支座裙式支座单段式双段式赤道正切：受力均匀，弹性好，能承受热膨胀的变形，安装方便，施工简单，容易调整，现场操作和维修方便，缺点是重心高，稳定性差用于低温和深冷球罐，与球壳相接的支柱为低温材料，下端采用一般材料用于常温球罐，上端与球壳相接，下端与底板焊接。球罐赤道正切柱式支座结构球罐人孔——球罐上设置人孔主要是便于工作人员进出球罐检验与维修。球罐应开设两个人孔，分别设置在上下极板上附件——梯子与平台、液面计、压力表、安全阀和温度计等，以及安装冷却水喷淋装置以及隔热或保冷设施球罐低温贮槽一般是指具有双层金属壳体的低温绝热储存容器，设计温度可低至-253℃，主要用于贮存或运输低温低压液化气体。内容器为与介质相容的耐低温材料制成，多为低温容器用钢(如奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双向不锈钢等)、有色金属及其合金；外容器壳体在常温下工作，一般为普通碳素钢或低合金钢制造；内、外容器壳体之间通常填充绝热材料，并抽至一定真空。5.2.4低温贮槽5.2储罐的结构低温贮槽低温贮槽杜瓦容器一般包括：①容器本体，包括贮液内容器、绝热结构、外壳体和连接内、外壳体的支撑构件等。②低温液体和气体的注入、排出管道与阀门及回收系统。③压力、温度、液面等检测仪表。④安全设施，如内、外壳体的防爆膜、安全阀、紧急排液阀等。⑤其他附件，如底盘、把手、抽气口等。低温容器最容易产生的是低温脆性断裂。低温脆断大多在没有明显征兆的情况下发生的，故危害很大。低温贮槽总体结构先根据储存介质的最高工作压力初步选择储罐类型：圆柱形储罐和球罐可以承受较高的储存压力，而立式平底筒形储罐的承压能力较差。如储存介质的压力不大于0.1MPa，可选用立式储罐，否则宜选用圆柱形储罐或球罐。再根据设计温度高低决定是否选用低温类储罐。5.2.5储罐结构选型原则5.2储罐的结构后根据库区的容量大小选择合适的储罐受运输能力的限制，单台卧式圆筒形储罐的容积一般不宜大于150m3；当总的储存容量超过100m3但小于500m3时，可以选用几台卧罐组成一个储罐群，也可以选用一台或二台球罐；如总容量大于500m3时，建议选用球罐或球罐群。此外，应考虑储存场地的位置、大小和地基承载能力。目录5.3卧式储罐设计5.4

移动式压力容器5.2储罐的结构5.1概述卧式储罐设计1

卧式储罐常用支座形式有鞍式支座和圈座。工程实际中很少使用圈座，只有当大直径的薄壁容器或真空容器因自身重量而可能造成严重挠曲变形时才采用圈座，以增加筒体支座处的局部刚度。5.3卧式储罐设计5.3.1支座结构及布置卧式储罐的典型支座

置于鞍式支座上的卧式储罐，其受力情况类似于弯曲梁。由材料力学：梁弯曲产生的应力与支点的数量和位置有关。多支点梁产生的应力较小→支座数量似乎应该越多越好。但多支座容器，因地基的不均匀沉降和制造上的外形偏差，很难保证各支座严格保持在同一水平面上，因而多支座罐在支座处的约束反力并不能均匀分配，体现不出多支座的优点→一般卧式储罐最好采用双鞍座结构。鞍式支座数量确定

卧式储罐的设计载荷包括长期载荷、短期载荷和附加载荷。

①长期载荷——设计压力，内压或外压（真空）；储罐的质量载荷，除自身质量外，还包括储罐所容纳的物料质量，保温层、梯子平台、接管等附加质量载荷。

②短期载荷——雪载荷、风载荷、地震载荷，水压试验充水重量。③附加载荷——指卧罐上高度不大于10m的附属设备（如精馏塔、除氧头、液下泵和搅拌器等）受重力及地震影响所产生的载荷。设计载荷双鞍座卧罐应力分析置于对称分布的双鞍座卧式储罐所受的外力包括载荷和支座反力，其在正常工作时可以近似地看成支承在两个铰支点上受均布载荷的外伸简支梁。载荷分析双鞍座卧罐应力分析

假设卧式储罐的总重为2F，此总重包括储罐重量及物料重量(常按水取值？)，必要时还包括雪载荷。

对半球形、椭圆形或碟形等凸形封头，折算为直径等于容器直径长度为2/3H的圆筒。则受载总长度为：作用在受载总长度L′上的单位长度均布载荷为：

载荷分析双鞍座卧罐应力分析梁受力图为：双鞍座卧罐应力分析k将梁总长度简化为L：封头本身和封头中物料的重量为2/3Hq，作用在封头（含物料）的重心上。凸形封头（均按半球形封头取值？）的重心位置为：按力的平移法则力的简化双鞍座卧罐应力分析双鞍座卧式储罐被简化为一受均布载荷的外伸简支梁，梁的两个端点还分别受到横剪力和力偶的作用。双鞍座卧罐应力分析k根据Zick（齐克）试验的结论，除支座附近截面外，其他各处圆筒在承受轴向弯矩时，仍可看成抗弯截面模量为

的空心圆截面梁，并不承受周向弯矩的作用。如果圆筒上不设置加强圈，且支座的设置位置时，由于支座处截面受剪力作用而产生周向弯矩，在周向弯矩的作用下，导致支座处圆筒的上半部发生变形，产生所谓“扁塌”现象。“扁塌”现象卧式储罐圆筒应力计算与强度校核（1）圆筒上的轴向应力双鞍座卧罐应力分析卧式储罐筒体上的轴向应力双鞍座卧罐应力分析卧式容器筒体上的轴向应力图双鞍座卧罐应力分析截面最高点（M1为正值，产生压应力）截面最低点（M1为正值，产生拉应力）

双鞍座卧罐应力分析两支座跨中截面处圆筒的轴向应力支座截面最高点（M2为负值，产生拉应力）支座截面最低点（M2为负值，产生压应力）双鞍座卧罐应力分析支座截面处圆筒的轴向应力切向应力

设置有加强圈的圆筒无加强圈且A＞0.5Ri的圆筒被封头加强的圆筒封头中的附加拉伸应力（2）支座截面处圆筒和封头上的切向应力和封头的附加拉伸应力卧式容器圆筒应力计算与强度校核双鞍座卧罐应力分析（a）加强圈加强（b）未加强（c）封头加强双鞍座卧罐应力分析卧式储罐筒体上的切向切应力图（4）支座截面处圆筒的周向压缩应力周向压缩应力

用加强圈加强圆筒未用任何形式加强圆筒被封头加强的圆筒周向弯曲应力

在支座截面上有加强圈的圆筒在支座截面上无加强圈的圆筒被封头加强的圆筒（A＜0.5Ri）双鞍座卧罐应力分析卧式储罐圆筒应力计算与强度校核（3）支座截面处圆筒的周向弯曲应力加强圈可设置于鞍座截面或靠近鞍座截面的圆筒上，可设置在圆筒内侧或外侧。如卧式储罐支座因结构原因而不能设置在靠近封头处（A＞0.5Ri），且圆筒不足以承受周向弯矩时，就需在支座截面处的圆筒上设置加强圈，以便与筒体一起承受载荷。双鞍座卧罐应力分析卧式储罐圆筒应力计算与强度校核（5）周向弯曲应力和周向压缩应力的强度校核（6）加强圈设计ka.

鞍座截面处设置内加强圈时，依照周向弯曲应力分析方法求取鞍座边角处的周向弯曲应力和周向压缩应力的综合并进行强度校核。b.靠近鞍座截面处设置加强圈时，圆筒截面的最低处存在最大压缩力，但此处周向弯曲应力为零；鞍座边角处的总应力则按周向弯曲应力和周向压缩应力叠加后进行强度校核。双鞍座卧罐应力分析根据内压或外压容器设计方法初步计算厚度考虑支座安装位置、支座反力和支座的包角的影响计及各种附加载荷，并校核筒体在附加载荷作用下的周向、轴向强度和稳定性，确定实际圆筒厚度。由于支座的受力与所支承的储罐的重量和支座本身的结构尺寸有密切关系，因而卧式储罐支座与罐体设计应同时进行。卧式储罐设计原则A≤0.2L，且要尽量使A≤0.5Ri；卧式容器由于温度或载荷变化时都会产生轴向的伸缩因此支座要一端固定，一端滑动；鞍座标准为JB/T4712.1，当选用标准鞍座且满足JB/T4712所规定的条件时，可免去对鞍式支座的强度校核，否则应进行强度校核；鞍座包角也是鞍式支座选用时需要考虑的一个重要参数，常用的鞍座包角有120°、135°和150°三种，我国标准JB/T4712.1中推荐的鞍座包角为120°和150°二种。问题：固定支座和滑动支座如何布置？鞍式支座设计与选用鞍座结构BⅠ型（重型）带垫板包角120°的鞍座结构简图1-底板；2-筋板；3-腹板；4-垫板鞍式支座设计与选用标准鞍座B型（重型）：BⅠ～BⅤ五种型号

选用标准鞍座：先根据鞍座实际承载的大小，确定选用轻型(A型)或重型(B型)鞍座；找出对应的公称直径；

结合容器筒体强度计算选择鞍座包角。

A型（轻型）鞍式支座设计与选用JB/T4712.1-2007鞍座

××－×

固定鞍座F，滑动鞍座S

公称直径，mm

型号(A，BⅠ、BⅡ、BⅢ、BⅣ、BⅤ)

标准鞍座标记方法标记示例：DN1600，150°包角重型滑动鞍座，鞍座材料Q235A，垫板材料Q345R，鞍座高度400mm。标记：JB/T4712.1-2007，鞍座BⅡ1600－S，h=400；材料：Q235A/Q345R。鞍式支座设计与选用移动式压力容器2移动式压力容器又称为经常搬运的容器，诸如汽车罐车、铁路罐车、罐式集装箱、长管拖车等。特点：不仅承受内压或外压载荷，搬运过程中还会受到由于内部介质晃动引起的冲击载荷，以及运输过程带来的外部撞击和振动载荷，因而在结构、使用和安全方面均有其特殊的要求。储运介质：液化气体、低温液体、压缩气体，大多具有易燃、易爆、窒息或有毒等危害性。5.4移动式压力容器按设计温度可划分为以下三种：①常温型：罐体为裸式，设计温度为-20℃～50℃；②低温型：罐体采用堆积绝热式，设计温度为-70℃～-20℃；③深冷型：罐体采用真空粉末绝热式或真空多层绝热式，设计温度低于-150℃。5.4移动式压力容器移动式压力容器分类常温型汽车罐车由汽车底盘、罐体、安全附件等三大部分组成：①汽车底盘是罐车的主要组成部分之一，起着承担载荷和行驶的功能，影响罐车的动力性、机动性、安全性和经济性。②罐体主要用于储存所需搬运的各类物料，是罐车的最重要部件，也是一个承受内压或外压载荷的压力容器；罐体截面有圆柱形、椭圆形和方形三种，用于承压时以圆柱形为主。③安全附件包括紧急切断装置、安全阀、液位计、温度计、压力表、消除静电装置、灭火装置等，有时还包括一些装卸装置。常温型汽车罐车基本结构固定式汽车罐车是采用螺栓连接方式将罐体永久性地固定在载重汽车的底盘上，使罐体与汽车底盘成为一个整体。特点：专车专用；坚固、美观、稳定、安全。固定式汽车罐车固定式汽车罐车固定式汽车罐车半挂式汽车罐车是将罐体固定在拖挂式汽车底盘上